DÖRT PERVANELİ BİR MİNİ-İHA'NIN HİBRİT PEMFC/BATARYA TASARIMIYLA UÇUŞ PERFORMANSININ ARTTIRILMASI

Abstract

İnsansız hava araçlarının kullanımındaki artış, enerji verimliliğini ve çevreci güç sistemlerine olan talebi de beraberinde getirmektedir. Kullanım çeşitliliğine bağlı olarak uçuş süresinin arttırılması en önemli noktalardan biridir. Bu amaçla tez kapsamında enerji verimliliği ve uçuş süresinin arttırılması hedeflenmektedir. Çalışmada, çevre dostu yapısı, yüksek enerji yoğunluğu ve güvenilirliği nedeniyle Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) tercih edilmiştir. Yüksek güç ihtiyacı durumlarında enerjinin devamlılığı açısından Lityum Polimer pil ile hibrit bir tasarım oluşturulmuştur. Oluşturulan tasarımın dinamik özellikleri, çevresel koşullardaki değişiklikler ve birincil bileşenlerin kontrol stratejilerine göre değerlendirilebilir. Hibrit tasarımda kullanılan yakıt hücresi ve diğer elamanların ağırlığı optimize edilmiş elemanlardan tercih edilmesi sayesinde toplam ağırlık 6,536 kg'dır. Sistem, Simulink Simscape programında modellenmiş ve Simscape'in geleneksel Simulink modellemesine göre sunduğu avantajlarla detaylı analizler gerçekleştirilmiştir. Hibrit sistemin enerji yönetimi, mühendislik deneyimine dayalı kural tabanlı bir strateji ile ele alınmıştır. Bu sayede uçuş süresinin arttırılması konusunda önemli bir fark sağlamaktadır. Hibrit sistem için verimli bir şekilde sonuçlar elde edebilmek adına mühendislik deneyimine göre güç tahsisini gerçekleştiren kural tabanlı enerji yönetim stratejisi benimsenmiştir. Sonuçların daha anlaşılır olması için sadece batarya ile çalışan quadkopter ve hibrit tasarım quadkopter karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Gerçekleştirilen analizler, sadece batarya ile çalışan quadkopterin yaklaşık 25 dakikalık uçuş süresine karşın, önerilen hibrit sistem tasarımıyla uçuş süresinin yaklaşık 165 dakikaya çıktığını ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, hibrit tasarımın enerji verimliliği ve uzun uçuş süreleri sağlama konularında önemli bir avantaj sunduğunu göstermektedir. Çalışmada ayrıca, hibrit sistemin dinamik özellikleri, çevresel koşullardaki değişimlere uyumu ve bileşenlerin kontrol stratejileri de incelenmiştir.

The increasing use of unmanned aerial vehicles (UAVs) has brought about a growing demand for energy efficiency and environmentally friendly power systems. Extending flight duration is one of the most critical aspects due to the diverse usage scenarios. This thesis aims to enhance energy efficiency and flight duration. In the study, Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) was chosen for its environmentally friendly structure, high energy density, and reliability. A hybrid design incorporating a Lithium Polymer (Li-Po) battery was developed to ensure continuous energy supply during high power demands. The dynamic characteristics of the proposed design can be evaluated based on environmental changes and the control strategies of primary components. By selecting optimized components for the fuel cell and other elements used in the hybrid design, the total weight was reduced to 6,536 kg. The system was modeled using Simulink Simscape, which provided detailed analyses through the advantages it offers over traditional Simulink modeling. The energy management of the hybrid system was addressed using a rule-based strategy grounded in engineering expertise. This approach has significantly contributed to extending flight duration. To achieve efficient results for the hybrid system, a rule-based energy management strategy, designed to allocate power based on engineering experience, was implemented. For better comprehension of the results, a comparative analysis was conducted between a quadcopter powered solely by batteries and one with the proposed hybrid design. The analyses revealed that, while the battery-powered quadcopter has a flight duration of approximately 25 minutes, the proposed hybrid system design extends the flight time to approximately 165 minutes. These findings demonstrate the significant advantages of the hybrid design in terms of energy efficiency and extended flight durations. Additionally, the study examined the dynamic characteristics of the hybrid system, its adaptability to environmental changes, and the control strategies of its components.